⚡ Elektrisk ladning og felt
Grunnleggende konsepter for elektrisitetslære
Elektrisk ladning
Elektrisk ladning er en fundamental egenskap ved materie som manifesterer seg gjennom elektromagnetiske krefter.
Grunnleggende egenskaper:
- Ladning måles i coulomb (C)
- To typer: positiv (+) og negativ (-)
- Like ladninger frastøter hverandre, ulike ladninger tiltrekker hverandre
- Ladning er kvantisert (hele multipler av elementarladningen e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C)
F = k·q₁·q₂/r² der k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C²
Elektrisk felt
Et elektrisk felt er rommet rundt en ladning hvor en annen ladning vil oppleve en kraft.
Feltlinjer:
- Feldlinjene begynner på positive ladninger og ender på negative
- Tettheten av feltlinjer angir feltstyrken
- Feltlinjene krysser aldri hverandre
Elektrisk potensial
Elektrisk potensial (V) er potensiell energi per enhetslading.
Spenning (potensialforskjell):
Spenning (U) er potensialdifferensen mellom to punkt: U = V₁ - V₂
Enhet: Volt (V) = Joule/Coulomb
🔌 Elektriske kretser
Strøm, spenning og motstand
Elektrisk strøm
Elektrisk strøm er bevegelses av elektroner gjennom en leder.
Strøm måles i Ampere (A) = Coulomb/sekund
Strømretning:
- Konvensjonell strøm: Fra positiv til negativ terminal (historisk)
- Elektronstrøm: Fra negativ til positiv terminal (faktisk)
Ohms lov
En av de viktigste lovene innen elektrisitetslære.
Resistans (R) måles i Ohm (Ω) og representerer motstanden mot strømgjennomgang.
Resistivitet og ledningsevne
Resistansen avhenger av materialets egenskaper:
Hvor:
- ρ = resistivitet (Ω·m)
- L = lengde av lederen
- A = tverrsnittareal
Kirchhoffs lover
Kirchhoffs strømlov (KCL):
Summen av strømmer inn i en node er lik summen av strømmer ut av noden.
∑I_inn = ∑I_ut
Kirchhoffs spenningslov (KVL):
Summen av spenninger rundt en lukket krets er null.
∑U = 0
Seriekobling og parallellkobling
Seriekobling:
- Samme strøm gjennom alle komponenter
- Total motstand: R_total = R₁ + R₂ + R₃ + ...
Parallellkobling:
- Samme spenning over alle komponenter
- Total motstand: 1/R_total = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ + ...
🧲 Magnetisme
Magnetiske felt og krefter
Magnetiske felt
Magnetiske felt oppstår rundt permanente magneter og omkring ledere som har strøm.
Egenskaper:
- Magnetisk feltlinjer begynner ved nordpolen og ender ved sørpolen
- Magnetisk felt måles i Tesla (T)
- Magnetisk feltstyrke måles i Ampere/meter (A/m)
Lorentz-kraft
En bevegelig ladning i et magnetisk felt opplever en kraft.
Retningen bestemmes av høyrehåndsregelen.
Kraft på strømbærende leder
En strømbærende leder i et magnetisk felt opplever en kraft:
Hvor L er lengden på lederen i magnetfeltet.
Magnetisk felt omkring en strømgjennomgang leder
En rett leder som fører strøm, skaper et sirkulært magnetisk felt omkring seg.
Hvor μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A (permeabilitet av vakuum)
⚙️ Elektromagnetisk induksjon
Faradays lov og transformatorer
Faradays induksjonslov
En endring i magnetisk fluks gjennom en spole induserer en EMF i spolen.
Hvor:
- ε = indusert EMF (Volt)
- N = antall vindinger
- Φ = magnetisk fluks (Wb = T·m²)
Lenzs lov
Retningen på den induserte strømmen er slik at den motvirker endringen i magnetisk fluks.
Transformatorer
Transformatorer brukes til å endre spenningsnivå i AC-kretser.
Effektfraksjon (ideell transformator):
Selvinduksjon
En spole motsetter seg endringer i strøm gjennom den.
Hvor L er induktansen, målt i Henry (H).
💡 Energi og kraft
Kraft i elektriske systemer
Elektrisk effekt
Kraft er energi per tidsenhet.
Måles i Watt (W) = Joule/sekund
Elektrisk energi
Energi som forbrukes av en enhet:
Måles i Joule (J) eller kWh
Joulevarme
Varmen som produseres når strøm flyter gjennom motstand:
Kapasitor og energilagring
En kapasitor lagrer elektrisk energi i et elektrisk felt.
Energi lagret i kapasitor:
Induktor og energilagring
En induktor lagrer energi i et magnetisk felt.
📊 AC-strøm og oscillasjoner
Alternativ strøm og sinusformede signaler
AC-strøm (Alternativ strøm)
AC-strøm endrer retning periodisk, vanligvis sinusformet.
Viktige størrelser:
- I_max = toppverdi
- I_rms = I_max/√2 (effektivverdi)
- ω = 2πf (vinkelfrekvens)
- f = frekvens i Hz
- T = 1/f = periode
RLC-kretser
Kretser med motstand (R), induktans (L) og kapasitans (C).
Impedans:
Hvor:
- X_L = ωL (induktiv reaktans)
- X_C = 1/(ωC) (kapasitiv reaktans)
Resonans
I en RLC-krets oppstår resonans når X_L = X_C
Ved resonans:
- Impedansen Z = R (minimum)
- Strømmen er maksimal
- Strøm og spenning er i fase
Effektfaktor
I AC-kretser er det viktig å vurdere effektfaktor.